Kwas azotowy jest jednym z najbardziej rozpoznawalnych kwasów. Posiada szerokie zastosowanie, ciekawe właściwości chemiczne i co najważniejsze – jest silnie żrący. Dowiedz się, w jaki sposób się go wytwarza i jakie niebezpieczeństwa wiążą się z jego użytkowaniem.
Definicja
Kwas azotowy (ang. nitric acid, łac. acidum nitricum) o wzorze chemicznym HNO3 to nieorganiczny związek chemiczny, należący do najsilniejszych znanych kwasów tlenowych. Posiada resztę kwasową w postaci grupy azotanowej zawierająca azot na V stopniu utlenienia. W formie stężonej wykazuje silne działanie korodujące. Na skutek zmieszania kwasu azotowego z kwasem solnym w proporcji 1:3, powstaje tzw. woda królewska, zdolna do roztwarzania nawet metali szlachetnych. W użyciu komercyjnym kwas azotowy wykorzystuje się w formie 68% roztworu wodnego (nie występuje wtedy również efekt dymienia, który pojawia się z kolei przy stężeniu powyżej 86%).
Właściwości chemiczne i fizyczne
Czysty kwas azotowy jest bezbarwną cieczą, która dobrze rozpuszcza się w wodzie. Posiada gryzący i duszący zapach. Na wolnym powietrzu można zauważyć delikatnie dymienie o brunatnej barwie, wywołane tlenkiem azotu(IV), który jest silnie trujący. Stąd też nawet krótkotrwałe wdychanie opar kwasu azotowego może wywołać podrażnienie układu oddechowego (oparzenia chemiczne), łzawienie lub kaszel. Długo przechowywany kwas azotowy ulega częściowemu rozkładowi i nabiera żółtego lub brunatnego koloru. Proces ten postępuje szybciej w obecności światła i podwyższonej temperatury.
Stężony roztwór kwasu azotowego jest bardzo aktywny chemicznie. Z niektórymi substancjami może reagować bardzo gwałtownie, a niekiedy wręcz wybuchowo. Z racji powyższych właściwości, może spowodować zapłon materiałów łatwopalnych. Podczas rozpuszczania w wodzie, wytwarza duże ilości ciepła (reakcja egzoenergetyczna).
Zarówno sam kwas azotowy, jak i jego sole wykazują silne działanie utleniające. To powoduje, że gwałtownie reaguje z metalami nie wypierającymi wodoru (miedź, srebro). Kwas ten jest zdolny do roztwarzania nawet niektórych niemetali. Glin, chrom i żelazo po zetknięciu ze stężonym kwasem azotowym, ulegają pasywacji.
| Wzór sumaryczny | HNO3 |
| Masa molowa | 63,01 g/mol |
| Wygląd | Przezroczysta, bezbarwna ciecz |
| Gęstość | 1,5129 g/cm³ (20 °C) |
| Temperatura topnienia | −41,6 °C |
| Temperatura wrzenia | 83 °C |
| Kwasowość | −1,4 pKa |
| Współczynnik załamania | 1,393 (589 nm, 25 °C) |
| Prężność par | 48 mmHg (20 °C) |
Otrzymywanie
Przemysłowy kwas azotowy o stężeniu od 52 do 68% produkowany jest metodą Ostwalda. W skrócie polega ona na katalitycznym utlenianiu amoniaku na siatce platynowej lub platynowo-rodowej (wymagana jest przy tym wysoka temperatura rzędu 227 °C oraz wysokie ciśnienie sięgające 9 atm). Z kolei sam amoniak na potrzeby tego procesu pozyskiwany jest metodą bezpośredniej syntezy wodoru i azotu (reakcja Habera i Boscha). W pierwszej kolejności wytwarzany jest tlenek azotu(II), który w obecności powietrza utlenia się do tlenku azotu(IV). Następnie tak uzyskany tlenek azotu poddawany jest dysproporcjowaniu w wodzie, w wyniku czego uzyskiwany jest kwas azotowy i kwas azotawy (słaby i nietrwały kwas tlenowy). Z racji tego, że kwas azotawy nie należy do wysoce stabilnych, ulega on dalszemu dysproporcjowaniu.
Wodny roztwór kwasu azotowego finalnie uzyskiwany jest poprzez destylację całego wywaru do poziomu 68%. Jego koncentrat można uzyskać poprzez dehydrytację stężonym kwasem siarkowym.
Zastosowanie
Kwas azotowy wykorzystywany jest m.in. do:
- produkcji azotanów, estrów (jak np. nitrogliceryna) oraz związków nitrowych (np. trotyl);
- wykrywania białek w reakcji ksantoproteinowej (chemia analityczna);
- oczyszczania powierzchni metali;
- szybkiego wytrawiania obwodów drukowanych;
- produkcji barwników, lakierów, nawozów i tworzyw sztucznych;
- utleniania paliw – w tym hipergolowych paliw rakietowych, które samoczynnie zapalające się na skutek zmieszania składników.
Ceny kwasu azotowego najczęściej oscylują w granicach 40 zł za 1 litr wodnego roztworu 55-65%. Z uwagi na obowiązujące regulacje prawne, produkt ten mogą zakupić wyłącznie podmioty gospodarcze na potrzeby związane z bieżącą działalnością (ustawa o bezpieczeństwie obrotu prekursorami materiałów wybuchowych z dnia 13 kwietnia 2016 r).
Szkodliwość
Zarówno kwas azotowy w formie ciekłej, jak i jego opary, działają wysoce szkodliwie na organizm człowieka. Inhalacja kwasu azotowego prowadzi do obrzęku i zapalenia płuc. Rozlany na skórę powoduje trudne w leczeniu poparzenia, które najczęściej kończą się martwicą. Bardziej rozległe poparzenia kwasem azotowym prowadzą nawet do zapaści lub wstrząsu i mogą stanowić poważne ryzyko utraty życia. Największe spustoszenie powoduje połknięcie kwasu azotowego, które często kończy się śmiercią osoby (dochodzi do perforacji ścian żołądka i jelita).
Przechowywanie
Z uwagi na swoje silnie żrące właściwości, kwas azotowy powinien być przechowywany w odpowiednich pojemnikach (kwasoodpornych) i składowany w dobrze wentylowanych pomieszczeniach bez dostępu do światła. Bezwzględnie należy unikać składowania kwasu azotowego w pobliżu materiałów łatwopalnych lub wybuchowych.
Historia
Kwas azotowy został pierwszy raz opisany już w XIV w. przez niejakiego chemika, podpisującego się Pseudo-Geber. Swoje spostrzeżenia ujął w specjalnym piśmie pt.: „De inventione veritatis„. Sam Geber najprawdopodobniej był pochodzenia Hiszpańskiego lub Włoskiego. Kwas ten został również opisany przez dwóch niemieckich filozofów: Albert the Great i Ramon Lull. Uzyskali oni kwas azotowy w procesie destylacji nitrokalitu i siarczanu żelaza(II).
Produkcja kwasu azotowego z powietrza, bazująca na silnych wyładowaniach elektrycznych (ang. Birkeland–Eyde process) rozpoczęła się w roku 1905. W skrócie metoda ta polega na utlenianiu azotu znajdującego się w powietrzu atmosferycznym przy pomocy tlenu atmosferycznego. Reakcję inicjuje łuk elektryczny o bardzo wysokiej temperaturze (nawet 3000 °C). W efekcie tego powstaje kwas azotowy oraz woda. Wynalazcą tej metody jest norweski naukowiec Kristian Birkeland, któremu udało się zakończyć eksperyment w 1903 roku.
W innym artykule wyjaśniamy zasadę: Pamiętaj chemiku młody wlewaj zawsze kwas do wody!